KARBONILGRUPA: RAKSTURLIELUMI, ĪPAŠĪBAS, NOMENKLATŪRA, REAĢĒTSPĒJA - ĶĪMIJA - 2025

Karbonil grupa ir oksidēto organiska funkcionālā grupa, kas līdzinās gāzveida oglekļa monoksīda molekulu. To attēlo kā C = O, un, lai arī to uzskata par organisku, to var atrast arī neorganiskos savienojumos; piemēram, ogļskābi, H ₂ CO ₃ , vai metālorganiskos savienojumos ar CO kā saistvielu.

Tomēr šī grupa izceļas ar milzīgo nozīmi oglekļa, dzīvības, bioķīmijas un citās līdzīgās zinātnes nozarēs. Ja tas nebūtu viņam, daudzas molekulas nespētu mijiedarboties ar ūdeni; olbaltumvielas, cukuri, aminoskābes, tauki, nukleīnskābes un citas biomolekulas nepastāvētu, ja tas nebūtu viņam.

Karbonilgrupa. Avots: Jü

Attēlā parādīts, kā šī grupa izskatās savienojuma vispārējā skeletā. Ņemiet vērā, ka to izceļ zilā krāsa, un, ja mēs noņemtu aizvietotājus A un B (R vai R ', vienādi derīgi), tur būtu oglekļa monoksīda molekula. Šo aizvietotāju klātbūtne nosaka lielu skaitu organisko molekulu.

Ja A un B ir atomi, kas nav ogleklis, piemēram, metāli vai nemetāliski elementi, tad attiecīgi var būt metālorganiski vai neorganiski savienojumi. Organiskās ķīmijas gadījumā aizvietotāji A un B vienmēr būs vai nu ūdeņraža atomi, oglekļa virknes, līnijas, ar zariem vai bez tiem, cikliski vai aromātiski gredzeni.

Tas sāk saprast, kāpēc karbonilgrupa ir diezgan izplatīta tiem, kas studē dabas vai veselības zinātnes; tas ir visur, un bez tā molekulārie mehānismi, kas rodas mūsu šūnās, nenotiktu.

Ja tā nozīmi varētu apkopot, teiktu, ka tas veicina molekulas polaritāti, skābumu un reaģētspēju. Tur, kur ir karbonilgrupa, ir vairāk nekā iespējams, ka tieši tajā brīdī molekula var tikt pārveidota. Tāpēc tā ir stratēģiska vieta, kur attīstīt organisko sintēzi, izmantojot oksidācijas vai nukleofīlos uzbrukumus.

Karbonilgrupas raksturojums un īpašības

Karbonilgrupas strukturālās īpašības. Avots: Azaline Gomberg.

Kādas ir karbonilgrupas strukturālās un elektroniskās īpašības? Virs tā var redzēt, tagad izmantojot burti R ¹ un R ² vietā no A un B, kas pastāv starp aizvietotājiem un skābekļa atoma leņķī 120 ° C; tas ir, ģeometrija ap šo grupu ir trigonāla plakne.

Lai tā būtu ģeometrija, oglekļa un skābekļa atomiem obligāti jābūt sp ² ķīmiskai hibridizācijai ; Tādējādi, oglekļa būs trīs SP ² orbitālēm , lai veidotu vienu kovalentas saites ar R ¹ un R ² , un tīru p orbitālajā uz dubultsaiti ar skābekli.

Tas izskaidro, kā var būt C = O dubultā saite.

Ja attēls tiek novērots, būs redzams arī tas, ka skābeklim ir lielāks elektronu blīvums δ- nekā ogleklis, δ +. Tas ir saistīts ar faktu, ka skābeklis ir vairāk elektronegatīvs nekā ogleklis, un tāpēc to "aplaupa" elektronu blīvums; un ne tikai viņam, bet arī R ¹ un R ² aizvietotājiem .

Rezultātā tiek izveidots pastāvīgs dipola moments, kas atkarībā no molekulārās struktūras var būt lielāks vai mazāks. Visur, kur ir karbonilgrupa, būs dipola brīži.

Rezonanses struktūras

Šīs organiskās grupas divas rezonanses struktūras. Avots: Mfomičs

Citas skābekļa elektronegativitātes sekas ir tādas, ka karbonilgrupā ir rezonanses struktūras, kas definē hibrīdu (divu struktūru kombinācija augšējā attēlā). Ņemiet vērā, ka elektronu pāri var migrēt uz skābekļa p orbitāli, kas oglekļa atomu atstāj ar pozitīvu daļēju lādiņu; karbokācija.

Abas struktūras pastāvīgi gūst panākumus, tāpēc ogleklis uztur pastāvīgu elektronu deficītu; tas ir, katjoniem, kas tam ir ļoti tuvu, viņi piedzīvos elektrostatisko atgrūšanos. Bet, ja tas ir anjons vai suga, kas spēj ziedot elektronus, jūs jutīsit spēcīgu šī oglekļa pievilcību.

Tad notiek tā sauktais nukleofīlais uzbrukums, kas tiks izskaidrots nākamajā sadaļā.

Nomenklatūra

Ja savienojumam ir grupa C = O, tiek uzskatīts, ka tas ir karbonilgrupa. Tādējādi, atkarībā no karbonilsavienojuma veida, tam ir savi nomenklatūras noteikumi.

Lai gan neatkarīgi no tā, kas tas ir, viņiem visiem ir kopīgs noteikums: C = O oglekļa ķēdē ir prioritāte, uzskaitot oglekļa atomus.

Tas nozīmē, ka, ja ir zari, halogēna atomi, slāpekļa funkcionālās grupas, divkāršās vai trīskāršās saites, nevienā no tām nevar būt lokatora skaitlis, mazāks par C = O; tāpēc garāko ķēdi sāk uzskaitīt pēc iespējas tuvāk karbonilgrupai.

Ja, no otras puses, ķēdē ir vairāki C = O, un viens no tiem ir daļa no augstākas funkcionālās grupas, tad karbonilgrupai būs lielāks lokators un tā tiks pieminēta kā okso aizvietotājs.

Un kāda ir šī hierarhija? Šādi, no augstākā līdz zemākajam:

-Karbonskābes, RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amīds, RCONH ₂

-Aldehīds, RCOH (vai RCHO)

-Ketons, RCOR

Aizvietojot R un R 'molekulārajiem segmentiem, rodas bezgalīgs skaits karbonilsavienojumu, ko pārstāv iepriekšminētās grupas: karbonskābes, esteri, amīdi utt. Katrs no tiem ir saistīts ar tradicionālo vai IUPAC nomenklatūru.

Reaģētspēja

Nukleofīlais uzbrukums

Nukleofīlais uzbrukums karbonilgrupai. Avots: Benjah-bmm27

Augšējā attēlā parādīts nukleofīlais uzbrukums, kuru pārcietis karbonilgrupa. Nukleofīls Nu ^- var būt anjons vai neitrāla suga ar pieejamiem elektronu pāriem; piemēram, amonjaks, piemēram, NH ₃ . Tas izskatās tikai attiecībā uz oglekli, jo saskaņā ar rezonanses struktūrām tam ir pozitīva daļēja maksa.

Pozitīvais lādiņš piesaista Nu ^- , kurš centīsies pietuvināties ar “sānu” tā, lai R un R ’aizvietotājiem būtu vismazāk sterisku šķēršļu. Atkarībā no tā, cik lielgabarīta tie ir, vai lielums Nu ^{- pats} , tad uzbrukums notiks pie dažādiem leņķiem ψ; tas var būt ļoti atvērts vai slēgts.

Pēc tam, kad notiek uzbrukums, starpposma savienojums, Nu-CRR'-O ^{- tiks izveidota} ; ka ir, skābeklis tiek atstāta ar pāris elektroniem, lai ļautu NU ^- lai pievienotu pie karbonilgrupas grupai.

Šis negatīvi lādētais skābeklis var iejaukties citos reakcijas posmos; protonēts kā hidroksilgrupa, OH, vai atbrīvots kā ūdens molekula.

Iesaistītie mehānismi, kā arī reakcijas produkti, kas iegūti šajā uzbrukumā, ir ļoti dažādi.

Atvasinājumi

Nukleofīlais līdzeklis Nu ^- var būt daudzu sugu. Katrā konkrētā gadījumā, reaģējot ar karbonilgrupu, rodas dažādi atvasinājumi.

Piemēram, kad minētā nukleofīlā aģents ir aminogrupas, NH ₂ R, Imīni rasties, R ₂ C = NR; ja tas ir hidroksilamīns, NH ₂ OH, rada oksīmiem, RR'C = NOH; ja tas ir cianīda anjons, tad tiek ražoti CN ^- , ciānhidrīni, RR'C (OH) CN utt. ar citām sugām.

Samazināšana

Sākumā teica, ka šī grupa ir skābekļa saturoša, tāpēc ir sarūsējusi. Tas nozīmē, ka, ņemot vērā apstākļus, to var samazināt vai zaudēt saites ar skābekļa atomu, aizstājot to ar ūdeņražiem. Piemēram:

C = O => CH ₂

Šī transformācija norāda, ka karbonilgrupa ir reducēta uz metilēngrupu; skābekļa zuduma rezultātā tika iegūts ūdeņradis. Piemērotāki ķīmiski: karbonilsavienojums tiek reducēts līdz alkānam.

Ja tas ir ketonu, RCOR ', klātbūtnē hidrazīna, H ₂ N-NH ₂ , un stipri bāziskā vidē var samazināt līdz tās attiecīgajā alkānu; Šī reakcija ir pazīstama kā Wolff-Kishner reducēšana:

Wolff-Kišnera samazināšana. Avots: Jü

No otras puses, ja reakcijas maisījums sastāv no cinka un sālsskābes apvienojuma, reakciju sauc par Clemmensen reducēšanu:

Clemmensen samazināšana. Avots: Wikimedia Commons.

Acetālu un ketālu veidošanās

Karbonilgrupa var ne tikai pievienot nukleofīlos līdzekļus Nu ^- , bet skābos apstākļos tā var arī reaģēt ar spirtiem ar līdzīgiem mehānismiem.

Kad aldehīds vai ketons daļēji reaģē ar spirtu, attiecīgi veidojas pusacetāli vai hemicetāli. Ja reakcija ir pabeigta, produkti ir acetāli un ketāli. Iepriekš minētie apkopo un labāk izskaidro šādus ķīmiskos vienādojumus:

RCHO + R ³ OH g RCHOH (OR ³ ) (pusacetāla) + R ⁴ OH g RCH (OR ³ ) (OR ⁴ ) (Acetal)

RCOR ² + R ³ OH g RCOR ² (OH) (OR ³ ) (Hemicetal) + R ⁴ OH g RCOR ² (OR ³ ) (OR ⁴ ) (Ketal)

Pirmā reakcija atbilst pusacetālu un acetālu veidošanai no aldehīda, bet otrā - hemicetaliem un ketāliem no ketona.

Šie vienādojumi var nebūt pietiekami vienkārši, lai izskaidrotu šo savienojumu veidošanos; Tomēr pirmo pieeju tēmu, tas ir pietiekami, lai saprastu, ka alkoholi ir pievienoti, un ka to sānu ķēdes R (R ³ un R ⁴ ) kļūst saistīts ar karbonilgrupas oglekļa. Tāpēc sākotnējai molekulai ^{tiek pievienoti} OR ³ un OR ⁴ .

Galvenā atšķirība starp acetālu un ketālu ir ūdeņraža atoma klātbūtne, kas saistīts ar oglekli. Ņemiet vērā, ka ketonā trūkst šī ūdeņraža.

Veidi

Ļoti līdzīgi, kā paskaidrots nomenklatūras sadaļā par karbonilgrupu, tā tipi ir funkcija, kuras funkcija ir aizvietotāji A un B vai R un R ’. Tāpēc ir strukturālas iezīmes, kurām ir virkne karbonilsavienojumu, kas pārsniedz tikai saišu secību vai veidu.

Piemēram, šīs grupas un oglekļa monoksīda C≡O analoģijas sākumā tika pieminēts. Ja molekulā nav ūdeņraža atomu un ja ir arī divi termināli C = O, tad tas būs oglekļa oksīds, C _n O ₂ . Ja n ir vienāds ar 3, mums būs:

O = C = C = C = O

Kas it kā būtu divas C≡O molekulas, kas savienotas un atdalītas ar oglekli.

Karbonilsavienojumus var iegūt ne tikai no CO gāzes, bet arī no ogļskābes, H ₂ CO ₃ vai OH- (C = O) -OH. Šeit abi OH apzīmē R un R ’un, aizstājot vienu no tiem vai to ūdeņradi, iegūst ogļskābes atvasinājumus.

Un tad ir karbonskābju atvasinājumi RCOOH, kas iegūti, mainot R identitātes vai aizstājot H ar citu atomu vai ķēdi R '(kas radītu esteri, RCOOR').

Kā to identificēt aldehīdos un ketonos

Ketona un aldehīda diferenciācija no struktūras formulas. Avots: Gabriel Bolívar.

Gan aldehīdiem, gan ketoniem ir kopīga karbonilgrupas klātbūtne. Tā dēļ ir ķīmiskās un fizikālās īpašības. Tomēr to molekulārā vide abos savienojumos nav vienāda; pirmajā tas atrodas terminālā stāvoklī, bet otrajā - jebkur ķēdē.

Piemēram, augšējā attēlā karbonilgrupa atrodas zilā lodziņā. Ketonos blakus šai kastei jābūt vēl vienam oglekļa vai ķēdes segmentam (augšā); kamēr aldehīdos var būt tikai viens ūdeņraža atoms (apakšā).

Ja C = O atrodas vienā ķēdes galā, tas būs aldehīds; tas ir vistiešākais veids, kā to atšķirt no ketona.

ID

Bet kā jūs eksperimentāli zināt, vai nezināms savienojums ir aldehīds vai ketons? Ir daudzas metodes, sākot ar spektroskopiskiem (infrasarkanā starojuma absorbcija, IR) vai kvalitatīviem organiskiem testiem.

Runājot par kvalitatīvajiem testiem, tie ir balstīti uz reakcijām, kurās pozitīvs analītiķis novēro fizisko reakciju; krāsas maiņa, siltuma izdalīšanās, burbuļu veidošanās utt.

Piemēram, kad paraugam pievieno skābu K ₂ Cr ₂ O ₇ šķīdumu, aldehīds pārveidosies par karbonskābi, kas izraisa šķīduma krāsas maiņu no oranžas līdz zaļai (pozitīvs tests). Tikmēr ketoni nereaģē, un tāpēc analītiķis neievēro nekādas krāsas izmaiņas (negatīvs tests).

Cits tests sastāv no Tollens reaģenta ^{+ izmantošanas} , lai aldehīds samazinātu Ag ⁺ katjonus līdz metāliskam sudrabam. Un rezultāts: sudraba spoguļa veidošanās mēģenes apakšā, kur tika ievietots paraugs.

Galvenie piemēri

Visbeidzot, tiks uzskaitīta virkne karbonilsavienojumu:

CH ₃ COOH, etiķskābe

-HCOOH, skudrskābe

CH ₃ COCH ₃ , propanone

CH ₃ COCH ₂ CH ₃ , 2-butanona

-C ₆ H ₅ COCH ₃ , acetofenons

CH ₃ CHO, etanālu

CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO, pentanāla

-C ₆ H ₅ CHO, benzaldehīds

CH ₃ CONH ₂ , acetamīds

CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃ , propil acetāts

Tagad, ja tiktu minēti savienojumu piemēri, kuriem vienkārši piemīt šī grupa, saraksts kļūtu gandrīz bezgalīgs.

Atsauces

1. Morisons, RT un Boids, R., N. (1987). Organiskā ķīmija. 5. izdevums. Redakcijas Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organiskā ķīmija. (Sestais izdevums). Mc Graw Hill.
3. Grehems Solomons TW, Kreigs B. Frīls. (2011). Organiskā ķīmija. Amīni. (10. izdevums.). Wiley Plus.
4. Reids Danielle. (2019. gads). Karbonilgrupa: Īpašības un pārskats. Pētījums. Atgūts no: study.com
5. Šarlēna Agvateesiri. (2019. gada 5. jūnijs). Karbonilgrupa. Ķīmija LibreTexts. Atgūts no: chem.libretexts.org
6. Wiki Kids Ltd. (2018). Karbonilsavienojumi. Atgūts no: vienkārši.zinātnes
7. Toppr. (sf). Karbonilgrupas nomenklatūra un struktūra. Atgūts no: toppr.com
8. Klarks J. (2015). Aldehīdu un ketonu oksidēšana. Atgūts no: chemguide.co.uk